JP5755555B2 - 弁装置、弁装置の製造方法、および弁装置の修理方法 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、弁装置、弁装置の製造方法、および弁装置の修理方法に関する。
火力発電プラント等の蒸気タービンには、蒸気の流入を制御するために、主蒸気止め弁，蒸気加減弁，再熱蒸気止め弁，中間阻止弁，タービンバイパス弁等の種々の弁装置が付設されている。
上記弁装置においては、可動部材とこれに摺接する静止部材、例えば弁棒とブッシュとの材料の組み合わせとして、耐摩耗性を増加させて耐用年数を長くする目的で、例えばブッシュ材料を１２％クロム鋼、弁棒の材料をニッケル３０〜５０％オーステナイト系耐熱合金とし、かつそれら部材の表面処理方法として窒化処理を施すことが広く知られている。
また、弁座と弁体の当接するシート部には、高温高圧の過熱蒸気の流入や流出による熱衝撃やエロージョン、コロージョン等の摩耗による損傷を防ぐため、耐熱衝撃性と耐酸化性を有し、弁母材よりも硬度の高いコバルト基硬質合金を肉盛溶接することが知られている。
近年、火力発電プラント等の高効率化が押し進められ、蒸気温度は、５９３℃、６００℃、６１０℃というように上昇してきている。今後は、蒸気温度が７００℃以上となることが考えられる。
一方で、弁棒とブッシュの接触面に施される窒化処理は、高温の下では、金属表面が活性化状態となり、雰囲気中の高温水蒸気と反応して酸化皮膜を生成しやすい。生成した酸化皮膜は、弁の繰返し開閉動作の度に剥離を起こし、剥離片が弁棒の摺動により表面の凹部に局部的に堆積してブッシュとの間隙を埋め、弁棒のスティックを発生させる。また、弁棒とブッシュの接触面に形成される窒化層は、その窒化処理温度に因り約５００℃以上で分解し、軟化する性質を持ち、また窒化層の厚さが極めて薄いと窒化層が無くなり、摩耗が急激に進展する。
また、弁座や弁体のシート部に溶接により肉盛りされるコバルト基硬質合金は、高温化に対し、硬さの低下が小さいものの、靱性に乏しいことから、溶接後の冷却速度が大きいと熱応力により溶接金属に割れが発生することがある。また、肉盛溶接を行う弁母材の性質によっては弁母材自体にも割れが発生することがある。強度向上や耐酸化向上のために弁母体のＣｒ含有量を多くした場合、弁体や弁座のシート部に肉盛溶接するコバルト基硬質合金との線膨張係数差が大きくなり、コバルト基硬質合金肉盛部の径方向に亀裂が発生し易くなる。
このようなことから、弁装置の各部の信頼性を高めるための技術の提示が望まれる。
発明が解決しようとする課題は、信頼性を高めた弁装置、弁装置の製造方法、および弁装置の修理方法を提供することにある。
実施形態によれば、弁開閉に伴って動作する可動部材の弁棒とこの弁棒に摺接する静止部材のブッシュとを含む弁装置であって、前記弁棒と前記ブッシュの少なくとも一方の摺接面に肉盛部を一体に備え、前記肉盛部は、金属を主成分とする成形体により構成される電極と前記弁棒又は前記ブッシュの被処理部との間にパルス状の放電を発生させて前記電極の材料を前記被処理部の表面において前記被処理部を回転させその軸方向に螺旋状に溶着させ堆積させることによって形成されたものであることを特徴とする弁装置が提供される。
以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。
（第１の実施形態）
最初に、図１〜図５を参照して、第１の実施形態について説明する。
最初に、図１〜図５を参照して、第１の実施形態について説明する。
図１は、第１〜第４の実施形態に共通する弁装置の構成の一例を示す断面図である。
蒸気弁１は、例えば火力発電プラントに設置される蒸気タービン用の弁装置である。この蒸気弁１は、蒸気入口２および蒸気出口３を有する弁箱１ａと、この弁箱１ａの蒸気出口３に設けた弁座４に一端が当接して蒸気出口３を開閉する円筒型の往復動作用の弁体５とを備えている。弁体５は、弁箱１ａを塞ぐ弁蓋（上蓋）６の内面側に設けられた円筒状ガイド部７の内周面にシールリング８を介して摺接し、この弁体５の中心部に連結された弁棒９により軸心方向に沿って往復駆動する。弁棒９は、弁蓋６に設けたブッシュ１０にその外周面を摺接した状態で挿通され、この弁棒９の外部突出端が図示しない駆動用のアクチュエータに連結される。
弁棒９とブッシュ１０の少なくとも一方の摺接面には、肉盛部１１が一体に備えられる。この肉盛部１１は、金属を主成分とする成形体により構成される電極と弁棒９又はブッシュ１０の被処理部との間にパルス状の放電を発生させて当該電極の材料を当該被処理部の表面に溶着させ堆積させることによって形成されたものである。図１中のＸは、弁棒９の摺接面に形成される肉盛部１１の適用範囲を示している。
ここでは可動部材としての弁棒９に肉盛部１１を形成する例について説明するが、勿論、弁棒９と摺動部を構成する静止部材としてのブッシュ１０にも同様の肉盛部を形成してもよい。
図２は、肉盛部１１が形成された弁棒９を示す外観図である。図２中のＸは、図１中のＸと同様、弁棒９の摺接面に形成される肉盛部１１の適用範囲を示している。
図３は、図２に示される弁棒９のＡ−Ａ部における断面形状を示す断面図である。図３に示されるように、肉盛部１１は弁棒９の外表面に形成される。摺接面となる肉盛部１１を備えた弁棒９は、肉盛部１１の機械加工により、所定の形状、寸法、面粗さを有するように仕上げられている。
図４は、肉盛方法の原理を示す概念図である。図４に示すように、電気絶縁性のある液中又は気中において、コバルト基硬質合金などからなる電極と当該弁棒の被処理部との間に微小間隙を保持した状態で、当該電極と当該被処理部との間にパルス状の放電を発生させて、その放電エネルギーにより、当該電極の材料を当該被処理部の表面に溶着させ、堆積させる。このようにして形成される肉盛部は、電極の材料の粒子が被処理部の表面から拡散浸透した拡散浸透層と、この拡散浸透層に電極の材料の粒子が溶着して堆積した堆積層とを含む。この方法は、入熱が少ないため、被加工物を殆ど変形させずに肉盛りを行うことができるばかりか、電極成分が被加工物と溶け合って接合しているので、肉盛部は剥がれることがないという利点がある。
次に、図５を参照して、肉盛部１１を一体に備えた弁棒９の具体的な製造方法の一例を説明する。
当該製造方法は、弁棒９の表面に肉盛部１１を形成する工程において、以下に説明する（Ｉ）薄膜形成工程と、（II）肉盛層形成工程とを含む。
（Ｉ）薄膜形成工程
図５（ａ）に示す弁棒９（素材）を、図５（ｂ）に示すように放電加工機（放電加工機の大部分を図示省略）の電気絶縁性のある油Ｌの満たされた加工槽１０１内の所定位置にセットする。
図５（ａ）に示す弁棒９（素材）を、図５（ｂ）に示すように放電加工機（放電加工機の大部分を図示省略）の電気絶縁性のある油Ｌの満たされた加工槽１０１内の所定位置にセットする。
弁棒９は、その外径が放電加工による肉盛厚みを考慮した寸法に仕上げ加工されており、図示しない回転装置にて微少速度で回転しながら１回転で１０ｍｍ程度の軸方向の送りが可能な図示しない弁棒保持装置に保持される。
加工槽１０１内に貯留した油Ｌ中において、弁棒９と電極１０２の先端面との間に微小間隙を保持した状態でパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギーによって、弁棒９に電極１０２の材料を堆積、拡散、及び／又は溶着させて、弁棒９に薄膜１０３を形成する。
なお、「堆積、拡散、及び／又は溶着」とは、「堆積」、「拡散」、「溶着」、「堆積と拡散の２つの混合現象」、「堆積と溶着の２つの混合現象」、「拡散と溶着の２つの混合現象」、「堆積と拡散と溶着の３つの混合現象」のいずれも含むことを意味している。
ここで、電極１０２は、金属を主成分とする粉末をプレスにより圧縮もしくは加熱処理して成形した成形体により構成される成形電極であって、その材質は耐熱衝撃性と耐酸化性を有し、弁母材よりも硬度の高いコバルト基硬質合金もしくはニッケル基硬質合金が適する。
なお、電極１０２は、プレス等の圧縮によって成形する代わりに、その他の公知の製造方法によって成形しても差し支えない。電極１０２の横断面形状は例えば弁棒９の幅や軸方向の長さに合わせて長方形としたり、また、弁棒９と対向する電極１０２の表面は弁棒９の外周面に沿った円弧状としたりすることが望ましいが、これ以外の形状としてもよい。
（II）肉盛層形成工程
当該（Ｉ）薄膜形成工程が終了した後に、図５（ｃ）に示すように、加工槽１０１内の油Ｌ中において、薄膜形成後の弁棒９と電極１０２の先端面との間に微小間隙を保持した状態でパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギーによって、弁棒９に形成された薄膜１０３を成長させて、弁棒９に肉盛部１１ａを形成する。
当該（Ｉ）薄膜形成工程が終了した後に、図５（ｃ）に示すように、加工槽１０１内の油Ｌ中において、薄膜形成後の弁棒９と電極１０２の先端面との間に微小間隙を保持した状態でパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギーによって、弁棒９に形成された薄膜１０３を成長させて、弁棒９に肉盛部１１ａを形成する。
その際、肉盛部１１ａと弁棒９の母材との境界近傍には、組成比が厚さ方向へ傾斜的に変化する傾斜組成を有する融合部（融合層）１０４が生成される。ここでは、肉盛部１１ａを形成する際に適正な放電条件を選択することにより、融合部１０４の厚さは例えば２０μｍ以下となるようにする（融合部１０４の厚さが２０μｍを超えると、入熱量が多くなり、母材の強度が低下するからである）。これにより、弁棒９の母材の変形を抑えつつ、肉盛部１１ａの密着強度を高めることができる。
肉盛を施した後は、肉盛部１１ａの一部を機械加工して、摺接面となる弁棒９が所定の形状、寸法、面粗さを有するように仕上げ、肉盛部１１を備えた弁座４を完成させる。
第１の実施形態では、放電加工による製造方法を採用しており、入熱が小さいため、被加工物を殆ど変形させずに肉盛りを行うことができる。このため、肉盛部１１の厚さに対する制限はないが、コバルト基硬質合金自体の特性（たとえば硬度を基準とした特性）を充分に発揮する厚みとして３００μｍ以下とすることが望ましい。
なお、加工槽１０１内の油Ｌの役割は、パルス状の放電による電極１０２の加工くずを飛散させ、再び当該電極１０２に溶着するのを防ぐためであるが、放電時間が長くなると電極１０２の先端部分は殆どが気泡で覆われるため、最初から気体中で放電しても得られる効果は変わらない。
上述した第１の実施形態によれば、蒸気弁１の弁棒９やブッシュ１０の摺接面に施した肉盛部１１は、摺接面にコバルト基硬質合金などを放電加工により肉盛りしたものであるため、傾斜組成の傾斜機能材料となり、弁棒９やブッシュ１０の母材と接触する境界近傍の線膨張係数は略等しくなり、線膨張係数の差が殆ど生じないため、肉盛部１１の残留応力を解消することができる。この結果、弁棒９やブッシュ１０の摺接面に施した肉盛部１１の亀裂の発生を防止することができる。
また、第１の実施形態によれば、線膨張係数の差が殆ど生じないことから、弁棒９やブッシュ１０の母材及び肉盛部１１の材料選定や材料組合せの範囲を蒸気温度や高温強度に応じて広げることが可能となる。例えば弁棒９やブッシュ１０の母材としては、クロム−モリブデン鋼，クロム−モリブデン−バナジウム鋼，クロム−モリブデン−タングステン−バナジウム鋼，９％クロム鋼，１２％クロム鋼，Ni基やCo基の耐熱合金等が選定されるが、これら既存の材料に限定されることなく、鋼種としてのフェライト系あるいはマルテンサイト系あるいはオーステナイト系のいずれかからなる耐熱合金鋼を適用することが可能である。また、今後の更なる蒸気条件の上昇に伴い新たな材料が開発されても、本実施形態の放電加工による製造方法が適用可能なことは言うまでもない。
また、肉盛部１１となる電極１０２の材料としては、コバルト基硬質合金またはニッケル基硬質合金以外にも、酸化開始温度が８００℃以上と高く、高温度において優れた耐酸化性を示す例えば窒化クロム（CrN）、窒化チタンアルミウム（TiAlN）、窒化チタンタングステン（Ti-w）N、炭化チタンモリブデン（Ti-Mo）C、窒化クロムケイ素（CrSiN）および窒化チタンケイ素（TiSiN）等のファインセラミックス材が挙げられ、これらファインセラミックスの粉末、または当該粉末と前述の硬質合金とを混合した粉末から成形される電極１０２も考えられるが、今後の更なる蒸気条件の上昇に伴い新たな材料が開発されても、本実施形態の放電加工による製造方法によれば、肉盛部は傾斜機能材料となり得るため、適用可能なことは言うまでもない。
更には、第１の実施形態によれば、弁棒９とブッシュ１０からなる摺接面にコバルト基硬質合金などを放電加工により肉盛することにより、酸化皮膜の発生を限りなく少なくすることができるため、弁棒９とブッシュ１０との間隙を小さくしてもスティックを防止することができるばかりか、前述のフェライト系あるいはマルテンサイト系あるいはオーステナイト系耐熱合金鋼のいずれかの中で、弁棒９とブッシュ１０の母材を同じ材質で構成することに変更すれば、母材同士の線膨張係数の差による伸び差が発生しないため、ますます弁棒９とブッシュ１０との間隙を小さくできる利点がある。この結果、従来に比べ弁棒９とブッシュ１０の間隙が小さくなり、弁棒９とブッシュ１０の間隙からの蒸気漏洩量を減少できるため、高効率で高信頼性の高い弁装置を実現できる。
（第２の実施形態）
次に、図１〜図５を再び参照するとともに、図６を参照して、第２の実施形態について説明する。
次に、図１〜図５を再び参照するとともに、図６を参照して、第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態は、第１の実施形態で説明した蒸気弁１の弁棒９に形成される肉盛部１１の変形例を示すものである。
なお、第２の実施形態に係る蒸気弁１の構成や肉盛方法の基本部分は、第１の実施形態と同様であるため、その説明を省略する。以下では、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
ここでは可動部材としての弁棒９に肉盛部１１を形成する例について説明するが、勿論、弁棒９と摺動部を構成する静止部材としてのブッシュ１０にも同様の肉盛部を形成してもよい。
図６は、第２の実施形態における肉盛部１１が形成された弁棒９を示す外観図である。
前述の第１の実施形態に係る肉盛部１１は、金属を主成分とする成形体により構成される電極と弁棒９又はブッシュ１０の被処理部との間にパルス状の放電を発生させて当該電極の材料を当該被処理部の表面に溶着させ堆積させることによって形成されたものであるため、放電加工による入熱が少なく、被加工物を殆ど変形させずに肉盛りを行うことができるという利点があるが、弁棒９のような長尺のものは、全面肉盛した場合に、弁棒９の軸方向に母材と肉盛材との線膨張係数の差が生じ、軸方向に肉盛部１１の残留応力による亀裂が生じる可能性がある。
そこで、第２の実施形態では、例えば前述の図示しない弁棒保持装置により、軸方向の送りを大きくすることによって、弁棒９の軸方向に所定の間隔を置いて螺旋状の肉盛部１１を形成する。
第２の実施形態では、螺旋状に肉盛部１１が形成され、その後、摺接面となる肉盛部１１を備えた弁棒９が、肉盛部１１の機械加工により、所定の形状、寸法、面粗さを有するように仕上げられる。
肉盛部１１となる電極１０２の材料としては、例えば第１の実施形態で挙げた材料を用い、具体的には、図６に示すように第一肉盛部１１１として例えばコバルト基硬質合金、その隙間には第ニ肉盛部１１２として例えば窒化クロム（CrN）を使用するなどの組み合わせにて肉盛部１１を形成する。その条数は第一肉盛部１１１と第ニ肉盛部１１２との組み合わせのように２条とするほか、それ以上の複数条としてもよい。また、電極１０２の大きさや形状に応じて、第一肉盛部１１１および第ニ肉盛部１１２それぞれの肉盛幅を任意に設定してもよい。
このように、複数種の電極材料の組み合わせにより複数条の螺旋状に肉盛した肉盛部１１は、１種類の電極材料で全面肉盛した場合と異なり、弁棒９の軸方向で生じる母材と肉盛材との線膨張係数の差による伸び差を吸収する緩衝材の役目を果たすことができるため、肉盛部１１の残留応力が低減し、肉盛部１１の亀裂の発生を防止することができる。
上述した第２の実施形態によれば、弁棒９やブッシュ１０の摺接面に施した肉盛部１１は、摺接面にコバルト基硬質合金などを放電加工により肉盛りしたものであるため、傾斜組成の傾斜機能材料となり、弁棒９やブッシュ１０の母材と接触する境界近傍の線膨張係数は略等しくなり、線膨張係数の差が生じず、肉盛部１１の残留応力を解消するため、弁棒９やブッシュ１０の摺接面に施した肉盛部１１の亀裂の発生を防止することができる。
また、第２の実施形態によれば、螺旋状に複数条の肉盛を行うことにより、弁棒９やブッシュ１０の軸方向における母材と肉盛部との線膨張係数の差による伸び差を吸収する緩衝材の役目を果たすため、弁棒９の周方向の溶接残留応力を低減するばかりか、弁棒９の軸方向の溶接残留応力を低減するため、肉盛部１１の亀裂の発生を防止することができる。
以上により、上述した第１および第２の実施形態によれば、弁棒９やブッシュ１０の母材と肉盛部１１となる電極材料とがいかなる組み合わせであっても、肉盛部１１は傾斜機能材料となり得るため、肉盛部１１の残留応力を低減し、肉盛部１１の亀裂の発生を防止することができる。
なお、上述した第１および第２の実施形態の説明においては、弁装置の弁棒９における肉盛部１１の形成について説明したが、例えば、ブッシュ１０にのみ肉盛部１１を形成してもよいし、弁棒９とブッシュ１０の両方に肉盛部１１を形成してもよい。
一般に、弁装置には弁棒とブッシュの如き摺動部が多数存在し、従来ではそれらの殆どが表面に窒化処理を施しており、かつ微少間隙を有しているため、耐摩耗性が低下することや、酸化皮膜が付着する等の欠点があった。すなわち、このような弁装置ではいずれの摺動部においても同様な欠点を抱えており、今後蒸気温度が従来以上で、蒸気圧力も現状より高い蒸気条件が採用された場合を考慮した場合には何らかの策が必要であった。例えば上蓋６のシールリング８と弁体５との摺動部も同様である。従って、これらの部位に対しても、上記実施形態で説明した材料の組合せや製造方法を適用することが有効である。その場合、弁棒９を弁体５に置き換え、またブッシュ１０をシールリング８に置き換えて適用することができる。
更に、第１および第２の実施形態における摺動部としては、弁棒９とブッシュ１０の如き直線運動（軸方向に運動）する場合に限らず、例えば図示しないバタフライ弁のように弁棒が回転運動（周方向に運動）する場合においても、弁棒等とブッシュ等との相対関係および構造は同一であるため、その場合においても有効に適用することができる。
（第３の実施形態）
次に、図１を再び参照するとともに、図７〜図１２を参照して、第３の実施形態について説明する。
次に、図１を再び参照するとともに、図７〜図１２を参照して、第３の実施形態について説明する。
前述の第１の実施形態では、弁棒９もしくはブッシュ１０に肉盛部１１を形成する手法について詳細に説明したが、この第３の実施形態では、弁座４もしくは弁体５に肉盛部１１を形成する手法について詳細に説明する。
なお、第３の実施形態に係る蒸気弁１の構成や肉盛方法の基本部分は、第１の実施形態と同様であるため、その説明を省略する。以下では、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
図１に示される弁体５と弁座４の少なくとも一方の当接部には、肉盛部２１１が一体に備えられる。この肉盛部２１１は、金属を主成分とする成形体により構成される電極と弁体５又は弁座４の被処理部との間にパルス状の放電を発生させて当該電極の材料を当該被処理部の表面に溶着させ堆積させることによって形成されたものである。
ここでは静止部材としての弁座４に肉盛部２１１を形成する例について説明するが、勿論、弁座４と当接部を構成する可動部材としての弁体５にも同様の肉盛部を形成してもよい。
肉盛方法の原理については、既に図４を用いて説明した通りである。
図７は、図１に示される弁座４のシート部の形状を示す縦断面図である。また、図８は、図７中に示されるＢ部を拡大して示す縦断面図である。
図８に示されるように、弁座４のシート部１２には、周方向全周にわたって肉盛部２１１が肉盛され、当接部の仕上げ加工を行うことによってその表面が曲面形状に形成されている。
次に、図９を参照して、肉盛部２１１を一体に備えた弁座４の具体的な製造方法の一例を説明する。
当該製造方法は、弁座４のシート部１２に肉盛部２１１を形成する工程において、以下に説明する（Ｉ）薄膜形成工程と、（II）肉盛層形成工程とを含む。
（Ｉ）薄膜形成工程
図９（ａ）に示す弁座４（素材）を、図９（ｂ）に示すように放電加工機（放電加工機の大部分を図示省略）の電気絶縁性のある油Ｌの満たされた加工槽１０１内の所定位置にセットする。
図９（ａ）に示す弁座４（素材）を、図９（ｂ）に示すように放電加工機（放電加工機の大部分を図示省略）の電気絶縁性のある油Ｌの満たされた加工槽１０１内の所定位置にセットする。
弁座４は、シート部１２が平面に機械加工されており、図示しない回転装置にて微少速度で回転している。また、弁座４のシート部１２と電極１０２は平面同士で対向している。
加工槽１０１内に貯留した油Ｌ中において、弁座４のシート部１２と電極１０２の先端面との間に微小間隙を保持した状態でパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギーによって、弁座４のシート部１２に電極１０２の材料を堆積、拡散、及び／又は溶着させて、弁座４のシート部１２に薄膜１０３を形成する。この様子を図１０（ａ）に示す。
なお、「堆積、拡散、及び／又は溶着」とは、「堆積」、「拡散」、「溶着」、「堆積と拡散の２つの混合現象」、「堆積と溶着の２つの混合現象」、「拡散と溶着の２つの混合現象」、「堆積と拡散と溶着の３つの混合現象」のいずれも含むことを意味している。
ここで、電極１０２は、金属を主成分とする粉末をプレスにより圧縮もしくは加熱処理して成形した成形体により構成される成形電極であって、その材質は耐熱衝撃性と耐酸化性を有し、弁母材よりも硬度の高いコバルト基硬質合金もしくはニッケル基硬質合金が適する。
なお、電極１０２は、プレス等の圧縮によって成形する代わりに、その他の公知の製造方法によって成形しても差し支えない。
（II）肉盛層形成工程
当該（Ｉ）薄膜形成工程が終了した後に、図９（ｃ）に示すように、加工槽１０１内の油Ｌ中において、弁座４のシート部１２と電極１０２の先端面との間に微小間隙を保持した状態でパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギーによって、弁座４のシート部１２に形成された薄膜１０３を成長させて、弁座４のシート部１２に肉盛部２１１ａを形成する。この様子を図１０（ｂ）に示す。更に、肉盛部２１１ａが形成されたときの具体的な様子を図１１に示す。
当該（Ｉ）薄膜形成工程が終了した後に、図９（ｃ）に示すように、加工槽１０１内の油Ｌ中において、弁座４のシート部１２と電極１０２の先端面との間に微小間隙を保持した状態でパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギーによって、弁座４のシート部１２に形成された薄膜１０３を成長させて、弁座４のシート部１２に肉盛部２１１ａを形成する。この様子を図１０（ｂ）に示す。更に、肉盛部２１１ａが形成されたときの具体的な様子を図１１に示す。
その際、肉盛部２１１ａと弁座４の母材との境界近傍には、組成比が厚さ方向へ傾斜的に変化する傾斜組成を有する融合部（融合層）１０４が生成される。ここでは、肉盛部２１１を形成する際に適正な放電条件を選択することにより、融合部１０４の厚さは２０μｍ以下となるようにする（融合部１０４の厚さが２０μｍを超えると、入熱量が多くなり、母材の強度が低下するからである）。これにより、弁座４の母材の変形を抑えつつ、肉盛部２１１ａの密着強度を高めることができる。
肉盛を施した後は、肉盛部２１１ａの一部（および弁座４の素材の一部）を機械加工して、当接部を曲面形状に仕上げ、肉盛部２１１を備えた弁座４を完成させる。
第３の実施形態では、放電加工による製造方法を採用しており、入熱が小さいため、被加工物を殆ど変形させずに肉盛りを行うことができる。このため、肉盛部２１１の厚さに対する制限はないが、厚さが厚くなるに伴って、肉盛部２１１の内部には電流の流れによる発熱が生じるため、コバルト基硬質合金自体の特性（たとえば硬度を基準とした特性）を充分に発揮する厚みとして０．１ｍｍ以上、望ましくは１ｍｍ程度とする。
更には、放電加工により肉盛を施す時の素材形状が平面であり、肉盛を施した後に当接するシート部１２の曲面部は、機械加工により、所定の形状、寸法、面粗さを有するように仕上げられている。これにより、頂点（中心）となる弁シート部分に硬質合金が残り、その周囲は除々に母材に近い傾斜組成となるため、ますます線膨張係数の差が生じない。このような効果は、当接するシート部１２に曲面部を有している弁体５および弁座４のいずれにおいても得られる。従って、当該製造方法は、素材形状を平面として肉盛した後にその頂点を中心として曲面加工するような部品であれば、弁体５や弁座４以外の部品にも有効に適用できる。
上述した第３の実施形態によれば、弁装置の弁体５や弁座４のシート部１２に施した肉盛部２１１は、シート部１２の周方向にコバルト基硬質合金などを放電加工により肉盛りしたものであるため、傾斜組成の傾斜機能材料となり、弁体５や弁座４の母材と接触する境界近傍の線膨張係数は略等しくなり、線膨張係数の差が殆ど生じず、肉盛部２１１の残留応力を解消するため、弁体５や弁座４のシート部１２の亀裂の発生を防止することができる。
また、第３の実施形態によれば、線膨張係数の差が殆ど生じないことから、弁体５や弁座４の母材及び肉盛部２１１の材料選定や材料組合せの範囲を蒸気温度や高温強度に応じて広げることが可能となる。例えば弁体５や弁座４の母材としては、クロム−モリブデン鋼，クロム−モリブデン−バナジウム鋼，クロム−モリブデン−タングステン−バナジウム鋼，９％クロム鋼，１２％クロム鋼，Ni基やCo基の耐熱合金等が挙げられるが、今後の更なる蒸気条件の上昇に伴い新たな材料が開発されても、本実施形態の放電加工による製造方法が適用可能なことは言うまでもない。
また、肉盛部２１１となる電極１０２の材料としては、コバルト基硬質合金またはニッケル基硬質合金以外に、これら硬質合金の粉末と、耐熱衝撃性と耐酸化性を有し弁母材よりも硬度が高いファインセラミックスが入手可能であれば、そのファインセラミックスの粉末と前述の硬質合金との混合粉末から成形した硬質成形電極等も考えられるが、今後の更なる蒸気条件の上昇に伴い新たな材料が開発されても、本実施形態の放電加工による製造方法によれば、肉盛部２１１は傾斜機能材料となり得るため、適用可能なことは言うまでもない。
以上により、第３の実施形態によれば、弁体５や弁座４の母材と肉盛部２１１となる電極材料とがいかなる組み合わせであっても、肉盛部２１１は傾斜機能材料となり得るため、肉盛部２１１の残留応力を低減し、肉盛部２１１の亀裂の発生を防止することができる。
なお、本実施の第３の実施形態の説明においては、蒸気弁１の弁座４のシート部１２における肉盛部２１１の形成について説明したが、例えば、弁体５のシート部にのみ肉盛部２１１を形成してもよいし、弁座４のシート部１２と弁体５のシート部の両方に肉盛部２１１を形成してもよい。弁体５のシート部に肉盛部２１１を形成する場合は、前述した弁座４のシート部１２に肉盛りを行う場合と同様の手法により、図１２に示すような肉盛部２１１ａを形成し、肉盛を施した後は、肉盛部２１１ａの一部（および弁体５の素材の一部）を機械加工して、当接部を曲面形状に仕上げ、肉盛部２１１を備えた弁体５を完成させればよい。
（第４の実施形態）
次に、図１を再び参照するとともに、図１３〜図１６を参照して、第４の実施形態について説明する。
次に、図１を再び参照するとともに、図１３〜図１６を参照して、第４の実施形態について説明する。
前述の第３の実施形態では、蒸気弁１もしくは弁座４の製造において弁座４に肉盛部１１を形成する手法について詳細に説明したが、この第４の実施形態では、製造した蒸気弁１もしくは弁座４の修理において弁座４に肉盛部１１を形成する手法について説明する。
ここでは弁座４を例に挙げて説明するが、弁体５やシールリング８、弁棒９、ブッシュ１０などの部材にも適用することができる。
なお、第４の実施形態に係る蒸気弁１の構成や肉盛方法の基本部分は、第３の実施形態と同様であるため、その説明を省略する。以下では、第３の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
図１３は、図１に示される弁座４の肉盛りを行う前のシート部の形状を示す縦断面図である。また、図１４は、図１３中に示されるＣ部を拡大して示す縦断面図である。
高温流体に供された後の弁座４の場合は、シート部１２の肉盛層に割れ等の損傷が見受けられる。そこで、この損傷した部位を被修理部とし、機械加工にて被修理部の傷や欠陥がなくなる深さまで、図１３および図１４に示すようにシート部１２の周方向全周を平面状に除去する。図１４中の二点鎖線は、損傷部分の除去前の形状３１１（すなわち完成形状）を示している。
この後、被修理部への硬質合金の肉盛りを行うため、前述の第３の実施形態と同様な手法により、電極と弁座４の被修理部との間に微小間隙を保持した状態で、当該電極と弁座４との間にパルス状の放電を発生させて、その放電エネルギーにより、当該電極の材料を弁座４の被修理部の表面に溶着させ、堆積させることによって形成させる。この方法は、入熱が少ないため、被加工物を殆ど変形させずに肉盛りを行うことができるばかりか、電極成分が被加工物と溶け合って接合しているので、肉盛部は剥がれることがないという利点があり、再使用する弁座４の修理に適する。
次に、図１５を参照して、弁座４の具体的な修理方法の一例を説明する。
当該修理方法は、弁棒９の表面に肉盛部１１を形成する工程において、以下に説明する（Ｉ）薄膜形成工程と、（II）肉盛層形成工程とを含む。
（Ｉ）薄膜形成工程
図１５（ａ）に示す弁座４（シート部１２が平面に機械加工されたもの）を、図１５（ｂ）に示すように放電加工機（放電加工機の大部分を図示省略）の電気絶縁性のある油Ｌの満たされた加工槽１０１内の所定位置にセットする。
図１５（ａ）に示す弁座４（シート部１２が平面に機械加工されたもの）を、図１５（ｂ）に示すように放電加工機（放電加工機の大部分を図示省略）の電気絶縁性のある油Ｌの満たされた加工槽１０１内の所定位置にセットする。
弁座４は、被修理部の傷や欠陥が除去され、平面状に機械加工された状態にあり、図示しない回転装置にて微少速度で回転している。また、弁座４のシート部１２と電極１０２は平面同士で対向している。
加工槽１０１内に貯留した油Ｌ中において、弁座４のシート部１２と電極１０２の先端面との間に微小間隙を保持した状態でパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギーによって、弁座４のシート部１２に電極１０２の材料を堆積、拡散、及び／又は溶着させて、弁座４のシート部１２に薄膜１０３を形成する。この様子を図１６（ａ）に示す。
なお、「堆積、拡散、及び／又は溶着」とは、「堆積」、「拡散」、「溶着」、「堆積と拡散の２つの混合現象」、「堆積と溶着の２つの混合現象」、「拡散と溶着の２つの混合現象」、「堆積と拡散と溶着の３つの混合現象」のいずれも含むことを意味している。
ここで、電極１０２は、被修理部の肉盛材質と同じ金属を選択し、その粉末をプレスにより圧縮もしくは加熱処理して成形した成形体により構成される成形電極である。
なお、電極１０２は、プレス等の圧縮によって成形する代わりに、その他の公知の製造方法によって成形しても差し支えない。
（II）肉盛層形成工程
当該（Ｉ）薄膜形成工程が終了した後に、図１５（ｃ）に示すように、加工槽１０１内の油Ｌ中において、弁座４のシート部１２と電極１０２の先端面との間に微小間隙を保持した状態でパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギーによって、弁座４のシート部１２に形成された薄膜１０３を成長させて、弁座４のシート部１２に肉盛部３１１ａを形成する。この様子を図１６（ｂ）に示す。
当該（Ｉ）薄膜形成工程が終了した後に、図１５（ｃ）に示すように、加工槽１０１内の油Ｌ中において、弁座４のシート部１２と電極１０２の先端面との間に微小間隙を保持した状態でパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギーによって、弁座４のシート部１２に形成された薄膜１０３を成長させて、弁座４のシート部１２に肉盛部３１１ａを形成する。この様子を図１６（ｂ）に示す。
その際、肉盛部３１１ａと弁座４の母材との境界近傍には、組成比が厚さ方向へ傾斜的に変化する傾斜組成を有する融合部（融合層）１０４が生成されており、ここでは、肉盛部３１１を形成する際に適正な放電条件を選択することにより、融合部１０４の厚さは２０μｍ以下となるようにする（融合部１０４の厚さが２０μｍを超えると、入熱量が多くなり、母材の強度が低下するからである）。これにより、弁座４の母材の変形を抑えつつ、肉盛部３１１ａの密着強度を高めることができる。
肉盛を施した後は、肉盛部３１１ａの一部を機械加工して、当接部を曲面形状に仕上げ、肉盛部３１１を備えた弁座４を完成させる。
第４の実施形態では、放電加工による製造方法を採用しており、入熱が小さいため、被加工物を殆ど変形させずに肉盛りを行うことができる。このため、肉盛部３１１の厚さに対する制限はないが、厚さが厚くなるに伴って、肉盛部３１１の内部には電流の流れによる発熱が生じるため、コバルト基硬質合金自体の特性（たとえば硬度を基準とした特性）を充分に発揮する厚みとして０．１ｍｍ以上とし、被修理部の除去深さ（厚み）以上までを目安とする。
肉盛を施した後に当接するシート部１２の曲面部は、機械加工により、高温流体に供される前の寸法や形状及び面粗さを有するように仕上げられる。これにより、前述の第３の実施形態の場合と同様に頂点（中心）となる弁シート部分に硬質合金が残り、その周囲は除々に母材に近い傾斜組成となるため、線膨張係数の差が生じず、被修理部の肉盛部３１１の残留応力を解消するため、被修理部の亀裂の発生を防止することができる。
なお、第４の実施形態の説明においては、被修理部は弁座４のシート部１２の周方向全周を平面状に除去したが、周方向の一部のみが部分的に電極１０２と平面同士で対向するように平面状に機械加工して被修理部を構成すれば、部分的な修理が可能である。
以上により、第４の実施形態によれば、高温流体に供された後の可動部材や静止部材に損傷が生じた場合に、それらを廃却処分にすることなく、肉盛部３１１を形成することにより再使用することが可能となるため、部品の耐用年数を長くすることができ、経年的な補修費或いは取替え費を軽減することができ、製品を廉価に供給することが可能となる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１…弁装置（蒸気弁）、１ａ…弁箱、２…蒸気入口、３…蒸気出口、４…弁座、５…弁体、６…弁蓋、７…円筒状ガイド部、８…シールリング、９…弁棒、１０…ブッシュ、１１…肉盛部、１２…シート部、１０１…加工槽、１０２…電極、１０３…薄膜、１０４…融合部（融合層）、１１１…第一肉盛部、１１２…第ニ肉盛部、２１１，２１１ａ…肉盛部、３１１，３１１…肉盛部。
Claims (8)
- 弁開閉に伴って動作する可動部材の弁棒とこの弁棒に摺接する静止部材のブッシュとを含む弁装置であって、
前記弁棒と前記ブッシュの少なくとも一方の摺接面に肉盛部を一体に備え、
前記肉盛部は、金属を主成分とする成形体により構成される電極と前記弁棒又は前記ブッシュの被処理部との間にパルス状の放電を発生させて前記電極の材料を前記被処理部の表面において前記被処理部を回転させその軸方向に螺旋状に溶着させ堆積させることによって形成されたものであることを特徴とする弁装置。 - 前記肉盛部は、前記電極の材料の粒子が前記被処理部の表面から拡散浸透した拡散浸透層と、前記拡散浸透層に前記電極の材料の粒子が溶着して堆積した堆積層とを含むことを特徴とする請求項１に記載の弁装置。
- 前記肉盛部と前記被処理部との境界近傍に、前記電極の材料と前記被処理部の材料との傾斜組成が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の弁装置。
- 前記肉盛部と前記被処理部とは、境界近傍における線膨張係数が略等しいことを特徴と
する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の弁装置。 - 前記肉盛部は、コバルト基硬質合金、ニッケル基硬質合金、セラミックス材の少なくともいずれかを含む材料で形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の弁装置。
- 前記肉盛部は、前記弁棒又は前記ブッシュの前記被処理部の表面において前記被処理部を回転させその軸方向に螺旋状に複数条で種類の異なる材料により溶着させ堆積させることによって形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の弁装置。
- 弁開閉に伴って動作する可動部材とこの可動部材に摺接又は当接する静止部材とを含む弁装置の製造方法であって、
電気絶縁性のある液中又は気中において、金属を主成分とする成形体により構成される電極と前記可動部材又は前記静止部材の被処理部との間にパルス状の放電を発生させて前記電極の材料を前記被処理部の表面において前記被処理部を回転させその軸方向に螺旋状に溶着させ堆積させることによって、前記可動部材又は前記静止部材の少なくとも一方の摺接面又は当接部に肉盛部を形成することを含むことを特徴とする弁装置の製造方法。 - 弁開閉に伴って動作する可動部材とこの可動部材に摺接又は当接する静止部材とを含む弁装置の修理方法であって、
前記可動部材又は前記静止部材の少なくとも一方の摺接面又は当接部に生じた損傷がある被処理部を平面状に除去し、
電気絶縁性のある液中又は気中において、金属を主成分とする成形体により構成される電極と前記被処理部との間にパルス状の放電を発生させて前記電極の材料を前記被処理部の表面において前記被処理部を回転させその軸方向に螺旋状に溶着させ堆積させることによって、前記可動部材又は前記静止部材の少なくとも一方の摺接面又は当接部に肉盛部を形成する
ことを含むことを特徴とする弁装置の修理方法。
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